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幾種主流陶瓷3D打印工藝的關(guān)鍵特點(diǎn)及航空航天應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

幾種主流陶瓷3D打印工藝的關(guān)鍵特點(diǎn)及航空航天應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

編輯:轉(zhuǎn)自:CERADIR先進(jìn)陶瓷在線 發(fā)布時(shí)間:2023-06-09

航空航天領(lǐng)域陶瓷3D打印的主要興趣之一是使用該技術(shù)來(lái)制造陶瓷基復(fù)合材料,此類材料相對(duì)于超級(jí)合金具有明顯的性能優(yōu)勢(shì),而且密度要低得多。對(duì)于航空航天應(yīng)用,重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)SiC基復(fù)合材料的燃燒室襯里、預(yù)混合燃料噴嘴護(hù)罩、渦輪導(dǎo)向葉片、噴嘴等發(fā)動(dòng)機(jī)部件。


這些部件的常規(guī)制造方法均基于預(yù)成型件的滲透,如化學(xué)氣相滲透、聚合物滲透熱解、熔融滲透以及結(jié)合了這些過(guò)程的混合方法。這些方法通常速度很慢,涉及多個(gè)步驟以及大量的后處理。3D打印則會(huì)更簡(jiǎn)單,并且可以實(shí)現(xiàn)自由和復(fù)雜的幾何形狀,包括截面尺寸的急劇變化,以及混合和多功能復(fù)合材料的制造。此外,3D打印可以減少生產(chǎn)步驟,縮短生產(chǎn)時(shí)間,從而降低成本。其中的挑戰(zhàn)主要在于纖維增強(qiáng)材料的混合,實(shí)現(xiàn)零件完全致密以及工藝和性能的優(yōu)化。

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幾種主流陶瓷3D打印工藝的關(guān)鍵特點(diǎn)


目前,幾種陶瓷3D打印工藝都在探索軍用飛機(jī)的應(yīng)用,如SLA、DLP、直接墨水書(shū)寫(xiě)(DIW)、粉末床激光燒結(jié)以及氣溶膠噴射(AJP)等等。


SLA與DLP具有類似的原理,都在樹(shù)脂中加入陶瓷粉末得到陶瓷漿料進(jìn)行3D打印。與其他技術(shù)相比,基于光固化的技術(shù)適合制備高精度、形狀復(fù)雜的大型零件。但其對(duì)于漿料的要求一般較高,如漿料需要有較高的固相含量、較低的密度,同時(shí)陶瓷顆粒需要在樹(shù)脂中分散均勻,而且該方法的所使用的設(shè)備昂貴,制造成本較高。國(guó)際知名的幾家陶瓷3D打印設(shè)備商均采用該成型技術(shù)。

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直接墨水書(shū)寫(xiě)(DIW)技術(shù)是將陶瓷粉末與各種有機(jī)物混合,制成陶瓷墨水,然后通過(guò)打印機(jī)將其打印到成形平面上形成陶瓷坯體。對(duì)噴墨打印技術(shù)來(lái)說(shuō),陶瓷墨水的配制是關(guān)鍵。這要求陶瓷粉體在墨水中能夠良好均勻地分散,并具有合適的粘度、表面張力及電導(dǎo)率,以及較快的干燥速率和盡可能高的固相含量。目前,該技術(shù)的難點(diǎn)是墨水中的固相含量太低,這會(huì)導(dǎo)致陶瓷坯體致密度較低,而過(guò)度提高固相含量又會(huì)使墨水的噴射變困難。此前有研究人員采用該技術(shù)制備了Si3N4陶瓷齒輪坯體,其密度達(dá)3.18 g/cm3 ,斷裂韌性為4.4MPa?m1/2,抗壓強(qiáng)度為600MPa??梢钥闯?,噴墨打印技術(shù)所得制品具有良好的力學(xué)性能。這也說(shuō)明噴墨打印技術(shù)在高性能氮化硅陶瓷的生產(chǎn)中具有巨大潛力。

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粘結(jié)劑噴射技術(shù)(3DP)是在粉末床上選擇性的噴射粘結(jié)劑,通過(guò)層層制造得到最終的陶瓷坯體。該技術(shù)在制備多孔陶瓷零件時(shí)有較大優(yōu)勢(shì),但是其成形精度較差,表面較粗糙,這與粉體成分、顆粒大小、流動(dòng)性和可潤(rùn)濕性等有較大聯(lián)系。在制造過(guò)程中,可以通過(guò)控制粉末層的濕度來(lái)提高所得毛坯的尺寸和表面的精度。3DP成形法所制備的零件致密度一般較低,通常需要后續(xù)工藝來(lái)提高其致密度,如在燒結(jié)前進(jìn)行冷等靜壓和高壓浸滲處理,可以顯著提高燒結(jié)后制品的致密性,但同時(shí)也會(huì)使生產(chǎn)率降低。研究使用3DP技術(shù)制備Ti3SiC2陶瓷,隨后進(jìn)行硅熔體和鋁硅合金的滲透,復(fù)合材料密度可以達(dá)到4.1g/cm3,這種全致密材料的彎曲強(qiáng)度最高為233 MPa,力學(xué)性能較好。3DP技術(shù)為陶瓷復(fù)合材料的制備提供了一種新型方案。


粉末床激光燒結(jié)(SLS)是采用激光選擇性地掃描粉末床表面,使粉末材料受熱熔化并粘結(jié)在一起,并最終形成坯體。陶瓷材料的燒結(jié)溫度很高,難以直接進(jìn)行燒結(jié)成形。目前,只能通過(guò)間接激光選區(qū)燒結(jié)法對(duì)陶瓷材料燒結(jié),其方法是將低熔點(diǎn)的有機(jī)粘結(jié)劑覆蓋于陶瓷顆粒表面,然后激光只對(duì)有機(jī)粘結(jié)劑進(jìn)行熔化,使陶瓷顆粒相互結(jié)合。雖然改進(jìn)后的成形過(guò)程較簡(jiǎn)單,但是由于有機(jī)高分子粘結(jié)劑含量較高,因而所得坯體密度較低,疏松多孔,故通常需進(jìn)行后續(xù)處理提高致密度,如等靜壓處理、浸滲技術(shù)等。

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航空航天領(lǐng)域應(yīng)用陶瓷3D打印面臨的挑戰(zhàn)


SiC基復(fù)合材料的3D打印工藝有層壓制造(LOM)、粘結(jié)劑噴射(3DP)和直接墨水書(shū)寫(xiě)(DIW)。LOM可在對(duì)商用機(jī)器進(jìn)行改造后用于生產(chǎn)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料;粘結(jié)劑噴射技術(shù)則允許使用量身定制的粘結(jié)劑和短切纖維增強(qiáng)材料進(jìn)行打印,即使對(duì)于高SiC纖維負(fù)載量(體積比高達(dá)65%),硅熔體滲透也能完全致密化;直接墨水書(shū)寫(xiě)技術(shù)也顯示出一定的應(yīng)用前景,一項(xiàng)重要的需求是建模工作,以協(xié)助進(jìn)行材料設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化。

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3D打印制造的SiC復(fù)合陶瓷零件的機(jī)械性能仍落后于常規(guī)加工手段,但該技術(shù)制造的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件(如第一級(jí)噴嘴和高壓渦輪噴嘴段)已經(jīng)證明可行。


軍用飛機(jī)行業(yè)也在探索3D打印以提高戰(zhàn)備能力和負(fù)擔(dān)能力。陶瓷3D打印已經(jīng)證明可以用于生產(chǎn)金屬鑄造的型芯和模具,從而大大節(jié)省時(shí)間和成本。就此而言,陶瓷3D打印可用于模制傳統(tǒng)零件并制造具有改進(jìn)冷卻通道設(shè)計(jì)的新翼型,而這些新設(shè)計(jì)無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)方法制造。

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陶瓷3D打印也被視為在極限環(huán)境下使用的顛覆性創(chuàng)新技術(shù),它可以滿足對(duì)高溫材料(如超高溫陶瓷)和復(fù)雜幾何形狀的需求。但是,目前缺乏可低成本和大規(guī)模生產(chǎn)的3D打印工藝來(lái)進(jìn)行高強(qiáng)度和耐損傷陶瓷的生產(chǎn)。早期采用陶瓷增材制造的一個(gè)吸引人的領(lǐng)域是小型無(wú)人機(jī)的低成本發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā),它可以顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。在這些應(yīng)用中,較高的組件故障風(fēng)險(xiǎn)具有相對(duì)不重要的影響,可以視為原型設(shè)計(jì)和加速迭代的測(cè)試平臺(tái)。

END

盡管一些公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了完整的陶瓷3D打印技術(shù),但截至目前,陶瓷相對(duì)于其他材料的3D打印仍然非常小眾,屬于新興技術(shù)領(lǐng)域。據(jù)SmarTech分析公司發(fā)布的最新《陶瓷快速成型零件生產(chǎn):2019-2030年》顯示,隨著所有主要的陶瓷增材制造技術(shù)的全面發(fā)展,并建立起足夠的系列化生產(chǎn),陶瓷3D打印市場(chǎng)將在2025年后迎來(lái)一個(gè)拐點(diǎn)。屆時(shí),一大批公司和行業(yè)將受益于該技術(shù)。到2030年,陶瓷增材制造市場(chǎng)的收入估計(jì)將達(dá)到48億美元。


作為航空航天領(lǐng)域極富前景的高溫陶瓷材料,3D打印將為其專業(yè)化組件的生產(chǎn)發(fā)揮作用。無(wú)論是作為高溫合金替代物的陶瓷基復(fù)合材料,還是作為飛機(jī)或者火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)組件的先進(jìn)陶瓷材料,3D打印或?qū)⒏淖冞@些領(lǐng)域的制造方式。



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